Высокопрочный сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него

 

Изобретение относится к высоколегированным сплавам на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенным для применения в качестве конструкционного материала в авиационной и ракетной технике, а также в изделиях транспортного и приборного машиностроения. Техническим результатом изобретения является повышение прочностных и иных эксплуатационных характеристик, необходимых для основных силовых элементов планера самолета, ракет и других изделий, в сочетании с достаточной технологичностью для производства различных деформируемых полуфабрикатов, особенно крупногабаритных. Сплав содержит следующие компоненты, мас. %: цинк 7,6-8,6, магний 1,6-2,3, медь 1,4-1,95, цирконий 0,08-0,20, марганец 0,01-0,1, железо 0,02-0,15, кремний 0,01-0,1, хром 0,01-0,05, никель 0,0001-0,03, бериллий 0,0001-0,005, висмут 0,00005-0,0005, водород 0,8•10^-5-2,7•10^-5 и по крайней мере один элемент из группы, содержащей титан 0,005-0,06, бор 0,001-0,01, алюминий остальное, и изделие, выполненное из него. В зависимых пунктах формулы приведены следующие условия: сумма цинка, магния, меди не должна превышать 12,5%; сумма циркония, марганца, хрома и никеля не должна превышать 0,35%; соотношение железа к кремнию должно быть не менее 1,2. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к области цветной металлургии сплавов на основе алюминия, а именно к высокопрочным высоколегированным сплавам системы Al-Zn-Mg-Cu, используемым в качестве конструкционного материала для основных элементов планера самолета (обшивок и стрингеров верха крыла, силовых балок и др. ), ракетной техники, а также для изделий транспортного и приборного машиностроения.

Известна серия высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, дополнительно легированных малой добавкой циркония.

Российский сплав 1973 [1] имеет следующий химический состав, мас.%: Цинк - 5,5-6,5 Магний - 2,0-2,6 Медь - 1,4-2,0 Цирконий - 0,08-0,16 Титан - 0,02-0,07 Марганец - ≤0,10 Хром - ≤0,05 Железо - ≤0,15 Кремний - ≤0,10
Алюминий - Остальное
Американский сплав 7050 [2] имеет следующий химический состав, мас.%:
Цинк - 5,7-6,7
Магний - 1,9-2,6
Медь - 2,0-2,6
Цирконий - 0,08-0,15
Титан - ≤0,06
Марганец - ≤0,10
Хром - ≤0,04
Железо - ≤0,15
Кремний - ≤0,12
Алюминий - Остальное
В патенте США [3] описан сплав, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Цинк - 5,9-6,9
Магний - 2,0-2,7
Медь - 1,9-2,5
Цирконий - 0,08-0,15
Титан - ≤0,06
Хром - ≤0,04
Железо - ≤0,15
Кремний - ≤0,12
Алюминий - Остальное
Общим недостатком указанных известных сплавов является недостаточно высокий уровень статической прочности и удельных характеристик, что не позволяет улучшать летные характеристики, увеличивать весовую эффективность изделий для повышения грузоподъемности, экономии топлива, увеличения дальности полета и т.д.

Известен высокопрочный алюминиевый сплав системы Al-Zn-Mg-Cu [4] следующего химического состава, мас.%:
Цинк - 7,6-8,4
Магний - 1,8-2,2
Медь - 2,1-2,6
Цирконий - 0,03-0,30
Марганец - 0,1-0,35
Железо - 0,03-0,1
Кремний - 0,03-0,1
и по крайней мере один элемент из группы:
Гафний - 0,03-0,4
Ванадий - 0,05-0,15
Алюминий - Остальное
К недостаткам этого сплава относится следующее:
- сплав отличается повышенным содержанием меди, что приводит к снижению характеристик пластичности, вязкости разрушения, усталости;
- сплав предусматривает дополнительное легирование дорогостоящими элементами - гафнием, ванадием, что повышает стоимость полуфабрикатов и изделий, особенно при больших габаритах и большом объеме производства;
- сплав обладает недостаточной пластичностью в литом состоянии (и, соответственно, склонностью к образованию трещин в слитках, особенно крупных и трудноотливаемых из этих сплавов), а также при деформации полуфабрикатов.

Наиболее близким по химическому составу к предлагаемому изобретению является высокопрочный сплав [5], содержащий, мас.%:
Цинк - 5,0-8,0
Магний - 2,0-3,5
Медь - 0,5-2,5
Никель - 0,05-1,2
РЗМ или мишметалл - 0,05-1,0
Железо - 0,20-0,45
Кремний - 0,05-0,15
по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, содержащей:
Титан - 0,001-0,10
Бор - 0,001-0,01
Цирконий - 0,05-0,25
Марганец - 0,05-0,60
Хром - 0,03-0,25
Ванадий и/или - 0,03-0,15
Свинец, висмут, олово - 0,5-2,5
Алюминий - Остальное
Недостатки этого высоколегированного сплава заключаются в следующем:
- высокая и сверхвысокая прочность обеспечивается сильным легированием не только главными компонентами, повышающими концентрацию твердого раствора (цинком, магнием, медью), но и малорастворимыми тяжелыми металлами (никелем, железом, висмутом и др.) при максимальной сумме >15,0%, что вызывает образование грубых эвтектических и первичных нерастворимых интерметаллидов и соответственно приводит к сильному снижению трещиностойкости, пластичности, сопротивления усталости, а также к уменьшению эффекта упрочнения при термообработке и повышению плотности;
- присутствие в сплаве в заметных количествах таких элементов, как олово, свинец и др., способствует образованию горячих трещин в слитках;
- состав сплава не создает оптимальных условий формирования структуры и эксплуатационных характеристик ответственных конструкций, таких как обшивки и стрингеры крыла самолетов и др., требующихся для современных и перспективных изделий;
Технической задачей настоящего изобретения является создание сплава с высокой прочностью и требуемым уровнем эксплуатационных характеристик, необходимым для основных силовых элементов планера самолетов, ракет и других изделий, в сочетании с достаточной технологичностью для производства различных деформируемых полуфабрикатов, особенно крупногабаритных.

Для достижения поставленной задачи предложен высокопрочный сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, цирконий, марганец, железо, кремний, хром, никель, висмут, по крайней мере один элемент из группы, включающей титан и бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бериллий и водород при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Цинк - 7,6-8,6
Магний - 1,6-2,3
Медь - 1,4-1,95
Цирконий - 0,08-0,20
Марганец - 0,01-0,1
Железо - 0,02-0,15
Кремний - 0,01-0,1
Хром - 0,01-0,05
Никель - 0,0001-0,03
Бериллий - 0,0001-0,005
Висмут - 0,00005-0,0005
Водород - 0,8•10^-5-2,7•10^-5
и по крайней мере один элемент из группы:
Титан - 0,005-0,06
Бор - 0,001-0,01
Алюминий - Остальное
и изделие, выполненное из него.

Причем сумма основных легирующих элементов цинка, магния, меди не должна превышать 12,5%. Сумма переходных элементов циркония, марганца, хрома и никеля не должна превышать 0,35%. Соотношение железа к кремнию должно быть не менее 1,2.

Наряду с главным элементом - антирекристаллизатором цирконием присутствие в предлагаемом сплаве в небольших количествах хрома, никеля, марганца при регламентации общей суммы элементов, не превышающей 0,35%, способствует формированию и стабилизации нерекристаллизованной структуры, зарождению упрочняющих фаз и, соответственно, дополнительному приросту прочности, а также положительно влияет на сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением и расслаивающей коррозии.

Введение бериллия снижает окисляемость и улучшает жидкотекучесть при плавке, повышая качество слитков и полуфабрикатов. Присутствие в микродозах водорода способствует образованию мелкозернистой структуры, равномерному распределению неизбежных неметаллических включений по объему слитков и полуфабрикатов и повышению их пластичности.

Малые добавки титана и/или бора в сочетании с присадкой висмута, оказывающие модифицирующее действие, приводят к гетерогенной кристаллизации сплава и измельчению зерна и соответственно к улучшению пластичности слитков и полуфабрикатов и к расширению возможности увеличения их размеров и повышению качества.

Превышение содержания железа над содержанием кремния (более чем в 1,2 раза) при жестком их ограничении (для ограничения отрицательного влияния на эксплуатационные свойства) необходимо для улучшения литейных свойств высоколегированных сплавов с цинком с целью возможности получения крупногабаритных слитков и полуфабрикатов.

Уменьшение содержания меди (до 1,95 мас.%) и общей степени легированности сплава основными компонентами цинком, магнием, медью (до 12,5 мас.%) ограничивает вероятность образования грубых избыточных нерастворимых интерметаллидов типа фазы S (Al₂CuMg) и др. и их отрицательное влияние на характеристики пластичности, трещиностойкости, усталости. При этом не снижается коррозионная стойкость.

Примеры осуществления.

В условиях опытного производства были отлиты слитки, химические составы которых приведены в табл. 1. Слитки имели диаметр 110 мм, получены полунепрерывным методом с охлаждением поверхности водой. Плавка осуществлялась в электрической печи. После гомогенизации при температуре 460^oС в течение 24 час оценивали показатели пластичности слитков, характеризующие их способность к горячей деформации при типичной температуре 400^oС в процессе производства полуфабрикатов. Использовали два метода: испытание на осадку в торец образцов ⊘ 15х20 мм с определением предельной деформации ε; испытание на растяжение круглых образцов (диаметр рабочей части d₀=4 мм) с определением относительного удлинения δ (на расчетной длине l₀=5d₀) и относительного сужения ψ.

Значения среднего зерна d_cp в исследуемых слитках определяли методом количественной металлографии в поляризованном свете на оксидированных микрошлифах.

Часть слитков после гомогенизации прессовали при 390-410^oС на полосы сечением 12х75 мм. Заготовки из прессованных полос закаливали с температуры 468^oС (выдержка 50 мин) в холодной воде (20-25^oС). В пределах 4 час после закалки полосы подвергали искусственному старению варианта Т1 по режиму 140^oС, 16 час.

Комплекс механических и коррозионных свойств исследовали на образцах, вырезанных из полос.

Механические свойства при растяжении (предел прочности, удлинение, сужение) определяли на круглых образцах с диаметром рабочей части d₀=5 мм. Трещиностойкость оценивали по удельной работе разрушения (КСТ) при ударном изгибе образца с усталостной трещиной в V-образном надрезе согласно ГОСТ 9454.

Сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ) оценивали по времени до разрушения круглых продольных образцов с кольцевым надрезом (K_t=2,2) при высоком напряжении (σ_max = 0,7σ^н_в) и частоте f=0,17Гц.

Коррозионные свойства изучали по:
- сопротивлению коррозионному растрескиванию под напряжением (КР) по времени до разрушения поперечных образцов при напряжении σ = 0,75σ_0,2 и других условиях по ГОСТ 9.019;
- сопротивлению расслаивающей коррозии (РСК) плоских продольных образцов по 10-балльной системе в соответствии с ГОСТ 9.904.

В табл. 2 представлен комплекс механических и коррозионных свойств прессованных полос из заявленного и известного сплавов. В табл. 3 даны показатели технологической пластичности слитков из указанных сплавов.

Как видно из полученных и представленных результатов, состав предложенного сплава позволил заметно повысить показатели пластичности и трещиностойкости (на ~20-30%) при обеспечении высокого уровня прочностных свойств и сохранении коррозионной стойкости под напряжением и улучшении сопротивления усталости и расслаивающей коррозии. Также он способствует улучшению структуры и технологической пластичности слитков, облегчая их литье и обработку давлением полуфабрикатов. Кроме того, предлагаемый сплав имеет меньше (до 5%) плотность.

Таким образом, предложенный высокопрочный сплав обеспечивает повышение весовой эффективности, ресурса и надежности эксплуатации изделий. Сплав рекомендуется для производства катаных (листов, плит), прессованных (профилей, панелей и др.) полуфабрикатов, включая длинномерные, из крупных слитков, а также кованых полуфабрикатов (штамповок и поковок).

Сплав предназначен в качестве конструкционного материала для основных элементов планера самолета, особенно в сжатых зонах (обшивки и стрингеры верха крыла, силовые балки и др.) ракетной техники и других изделий.

Литература
1. Новые цветные сплавы. М., МДНТП, 1990, с.33.

2. Aluminum Standards and Data. The Aluminum Association, Washington, 1998, p.6-6.

3. Патент США, 4305763, НКИ 148/12.7А, МКИ С22F 1/04, дата опубликования 15.12.1981.

4. Патент США, 5221337, НКИ 148/417, МКИ С22С 21/06, дата опубликования 22.06.1993.

5. Заявка Японии 2107739.

Формула изобретения

1. Высокопрочный сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, цирконий, марганец, железо, кремний, хром, никель, висмут, по крайней мере один элемент из группы, включающей титан, бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бериллий и водород при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Цинк - 7,6-8,6
Магний - 1,6-2,3
Медь - 1,4-1,95
Цирконий - 0,08-0,20
Марганец - 0,01-0,1
Железо - 0,02-0,15
Кремний - 0,01-0,1
Хром - 0,01-0,05
Никель - 0,0001-0,03
Бериллий - 0,0001-0,005
Висмут - 0,00005-0,0005
Водород - 0,8•10^-5-2,7•10^-5
по крайней мере один элемент из группы:
Титан - 0,005-0,06
Бор - 0,001-0,01
Алюминий - Остальное
2. Сплав на основе алюминия по п. 1, отличающийся тем, что сумма цинка, магния, меди не превышает 12,5%.

3. Сплав на основе алюминия по п. 1, отличающийся тем, что сумма циркония, марганца, хрома и никеля не превышает 0,35%.

4. Сплав на основе алюминия по п. 1, отличающийся тем, что соотношение железа к кремнию не менее 1,2.

5. Изделие, выполненное из высокопрочного сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава следующего состава, мас. %):
Цинк - 7,6-8,6
Магний - 1,6-2,3
Медь - 1,4-1,95
Цирконий - 0,08-0,20
Марганец - 0,01-0,1
Железо - 0,02-0,15
Кремний - 0,01-0,1
Хром - 0,01-0,05
Никель - 0,0001-0,03
Бериллий - 0,0001-0,005
Висмут - 0,00005-0,0005
Водород - 0,8•10^-5-2,7•10^-5
по крайней мере один элемент из группы:
Титан - 0,005-0,06
Бор - 0,001-0,01
Алюминий - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов"

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): Открытое акционерное общество "Каменск-Уральский металлургический завод"

Договор № РД0049666 зарегистрирован 28.04.2009

Извещение опубликовано: 10.06.2009        БИ: 16/2009

* ИЛ - исключительная лицензия        НИЛ - неисключительная лицензия